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신재생에너지원 중 바이오매스 연소 보일러는 온실가스 배출 저감을 위해 우드 펠렛, 폐목재, 짚, 쌀겨 및 식물 슬러지 등을 연료로 사용하여 전기 및 열 등을 얻고 있다. 대표적인 예로 남동발전 영동에코발전소 1호기는 바이오매스 전소 보일러로서, 2 등급 우드 칩 연료를 사용하고 있으며, 보일러는 드럼형태, 자연 순환, 평형통풍 형식을 채택하고 있고, 증기조건은 과열기 출구 증기온도가 510℃, 증기압력 96 kg/㎠ 이다. 발전소마다 연료 및 연소 조건이 상이하다.

바이오매스 연료 대부분은 높은 휘발성과 화석연료에 비해 낮은 발열량을 갖으며, 상당한 양의 염소(Cl), 칼륨(K), 나트륨(Na), 황(S)을 함유하고 있다. 이들 원소는 보일러 내부에서 연소 부산물과 반응하여 과열기 튜브 위에 부착물(deposit)을 형성한다. 이 부착물은 튜브를 구성하는 금속과 반응하여, 원래 금속의 녹는 온도보다 낮은 융점을 갖는 화합물을 형성한다. 이 화합물은 보일러 연소 온도에서 녹아 시간이 지남에 따라 튜브 금속 두께 전체를 잃게 된다.

 비정질 합금은 일반적인 결정 구조 합금에서 나타나는 이방성, 입계, 면결함 편석 등이 없는 균일하면서 등방성(等方性) 성질을 나타내며, 결정학적으로 이방성이 없어 기계적 강도가 우수하며,  구조와 조성이 균일하여 뛰어난 내식성을 나타내 극한 환경에서 사용하기에 적합한 특성을 갖는다.

 최적 비정질 및 나노결정질 합금을 선정하여, 모합금 제조를 위한 구조 및 열분석, 내식성 평가를 수행하고 고압 진공 가스 아토마이저 방법을 이용한 분말의 양산화를 위해 분사 효율을 향상시킬 수 있는 노즐 시스템과 분말 포집 효율을 향상시키기 위한 다단계 사이클론 시스템, 대형 진공분무장치의 공정 조건을 최적화하여 분말을 제조한다.

 고속화염용사는 산소와 연료가스 혼합물의 폭발에 의하여 코팅 소재를 용융하고 가속하는 코팅공정이다. 용사속도는 약 500~800m/sec의 높은 속도로 입자가 모재 표면에 충돌하며, 상대적으로 낮은 화염 온도로 인하여 용사시 코팅 분말이 비행하는 동안 산화 현상을 상당히 완화할 수 있는 특징이 있다.

 화염용사는 산소-아세틸렌 가스 연료로 화염을 발생키셔 코팅 소재를 용융하여 고압의 압축 공기로 분사시켜 코팅하는 공정이다. 코팅 소재는 분말(powder)과 선재(wire)가 모두 가능하지만, 선재 사용 시에는 선재 가공이 가능한 무른 재질만 가능하다. 화염 온도와 용융 입자 속도가 낮기 때문에 세라믹이나 탄화물 코팅에는 불가능하거나 특성이 떨어져 잘 사용되지 않는다. 다른 용사코팅에 비하여 기공도가 높고 접착력이 낮으나, 용사 건 등의 비용이 저렴하여 Al, Zn 등의 내부식용이나 보수용으로 사용된다.

 아크용사는 두 개의 선재 끝 부위에 전기 아크를 발생시켜 재료를 용융시키고 이것을 압축공기 Jet를 이용하여 모재 표면에 적층 피막을 형성하는 방법이다. 화염 용사 코팅에 비하여 상대적으로 높은 온도와 입자 속도를 지니므로 낮은 기공도와 높은 접착력을 보인다. 또한, 용사 코팅 공정 중 생산성이 가장 높은 용사공정으로 이동성이 용이하여 현장 용사코팅 공정에 가장 적합한 용사 공정이다.

 아르곤, 헬륨, 질소 등의 불활성 가스를 텅스텐 전극(음극)과 구리 노즐(양극)에서 고압을 걸어주어 발생하는 아크(Arc)에 의해 플라즈마를 형성시킨다. 이것을 노즐로부터 분출시켜 형성 된 초고온, 고속 가스흐름을 열원과 가속원으로 하여 코팅하는 공정이다. 플라즈마 열원의 온도는 다른 용사 공정 중 가장 높아서 세라믹 소재를 코팅하기에 가장 적합한 용사코팅 공정이다. 하지만, 너무 온도가 높아 금속이나 탄화물 코팅 시에는 상변태나 산화가 문제 되어 진공 챔버나 챔버 내의 공기를 제어한 코팅공정은 따로 정의하고 있다.  

 육안검사는 간편하고 쉬우며, 특별한 장치가 필요하지 않고 육안 또는 낮은 배율의 확대경으로 검사할 수 있는 방법이다. 재료표면의 결함 즉, 균열, 치수의 오차 등을 판정할 수 있다. 두께 검사는 모재위에 형성된 코팅 층의 두께를 측정하는 것으로 초음파, 방사선, 자기(magnetic) 등을 이용하여 시료의 두께를 측정하는 장치를 사용하며, 단위는 ㎛이다.

관련 근거 ASTM C633 Standard Test Method for Adhesion or Cohesion Strength of Thermal Spray Coatings

ASTM C633 시험방법은 표면에 수직하는 방향으로 용사 코팅의 접착강도를 인장시험기를 이용하여 측정하는데 사용된다. 코팅 접착강도는 층이 얇아 직접적으로 측정이 곤란하여, 미리 강도를 알고 있는 접착제(Adhesive)를 코팅과 모재 표면에 발라 인장시험을 위한 금속 고정 지그(Jig) 사이 고정시킨다. 코팅 층의 접착강도는 최소한 접착제의 강도를 초과하여야 품질요건을 만족하게 된다. 따라서, 인장시험 후 파단은 코팅 층이 아닌 접착제에서 발생해야 한다. 이렇게 얻은 하중을 시편 단면적으로 나눈 값을 코팅의 접착강도로 정의한다.

관련 근거 KS B ISO4287 제품의 형상 명세 – 표면조직 – 프로파일 법 – 용어, 정의 및 표면 조직의 파라미터

표면 거칠기는 가공된 금속 표면에 생기는 주기가 짧고 진폭이 비교적 작은 불규칙한 요철의 크기를 말하며, 측정기의 촉침기(Accelerator)로 측정면의 수직인 단면에 나타나지는 윤곽을 세로 및 가로방향으로 확대 기록한 단면 곡선으로부터 표면 거칠기를 구한다. 표면 거칠기를 나타내는 방법은 산술 평균 거칠기(Ra), 최대높이(Ry), 10점 평균 거칠기(Rz) 등이 있다.

관련 근거 KS D 8542 세라믹 용사층의 기공률 측정방법-용사층의 단면 디지털 영상 분석

다공질 재료에서 비어있는 부분(기공)이 그 전체 부피에서 차지하는 비율이다. 기공의 전 적량을 Vp, 재료 전체의 용적을 V로 나타낼 때, (Vp/V)*100%로 표시된다.

 용사 코팅 층은 모재 위에 개별적인 코팅 분말이 충돌하여 넓게 퍼진 층(Splats)의 형성에 의해 만들어진 층상(Lamella) 구조를 갖는다. 용사조건 및 분말 특성에 따라, 용용이 잘 되어 층 사이에 산화물이 없이 경계가 얇고 균일한 구조, 부분 용융에 따라 코팅 분말 형태를 갖는 구조, 용사 중 산화가 되어 산화층이 존재하는 구조 및 다양한 크기의 기공들로 구성되어 진다.

관련 근거 KS B 0811 금속재료의 비커스경도 시험방법

대면각 136°정사각 추의 다이아몬드 압자를 1~50kg의 하중으로 시험 면에 압착하여 피라미드형의 압입 자국을 내고 그 대각선의 길이를 측정한다. 하중과 압입자국의 면적 비를 비커스 경도라고 한다. 박판, 표면층, 도금피막 등에는 1~25g까지의 소 하중을 사용하기도 하며 Hv로 표기한다.

관련 근거 ASTM G76-95 Standard Test Method for Conducting Erosion Tests by Solid Particle Impingement Using Gas Jets  

침식이란 용어는 매우 광범위하게 사용되고 있는데, 일반적으로 “유체, 복합성분 유체, 고체입자 등과 금속표면 사이에서의 기계적 상호작용에 의한 고체표면으로부터 원금속의 점진적 손실”이라 정의되고 있다. 또한, 마찰, 연마 및 마멸 등을 포함하는 마모라는 용어로도 널리 사용되고 있다.

 현장 활용화를 위한 기술적, 경제적 측면을 반영하여 코팅에 적용할 분말 및 방법을 선정하고 코팅 적용 부위의 설계도면을 확인 후여 장비 및 자재의 이동 여부 등을 판단하여 공정을 설계한다. 또한 작업 공간, 코팅 목적에 따라 공장코팅과 현장코팅을 적용할지 결정한다. 이에 따라 코팅 특성평가를 위한 시료, 모재, 코팅 분말, 코팅방법 및 후처리등을 설계한다

연료 성분 중 가연 성분(연소되는 성분)인 C,H, O ,S, N 와 완전 연소되지 않고 튜브 표면에 스케일 성분으로 고착되어 남아 있는 Na, Mg, Al, Si, P,Cl, K, Ti 등의 원소가 튜브 입계(Grain)로  침투하여 부식을 발생하게 됨. 연소환경의 부식의 종류로는 고온부식, 저온부식,  황부식, 산부식(Hcl, H₂SO₄, HNO₃)등 여러 종류가 있으나 보일러튜브의 고온부식의 주요원인은 염소(Cl)와 알카리 금속(Na,K) 농축에 의한 것으로 밝혀짐. 보일러 저온부(저온부식)는 환원성분위기에서 산화층을 부분 용융 후 부식을 발생시키고 보일러 고온부(고온부식)는 염소 및 알칼리 성분의 반응으로 보호 피막을 파괴되어 부식이 발생된다.

출처 : 전력연구원 고온부식 저감기술 개발 및 실증 최종보고서 발췌